ECS 為什么會高效，性能好，Entity的內(nèi)存布局與分配就是非常重要的部分，今天我們一起來分析一下Unity ECS 架構(gòu)里面如何來做高效的內(nèi)存分配器。這種思路也可以給我們做內(nèi)存分配提供很好的一個思路。

1: ECS 里面基本的一些概念

Unity ECS框架里面有幾個重要的概念:

Entity, ComponentData, System,Archetype, EntityManager, World；

ComponentData:

組件數(shù)據(jù),開發(fā)的時候，可以把每個功能相關(guān)的數(shù)據(jù)放到ComponentData里面。

Entity:

對象實(shí)體，純數(shù)據(jù)對象，里面包含了一個個的ComponentData, 每個相關(guān)功能使用的數(shù)據(jù)我們放Entity的ComponentData里面, 如圖:

ystem:

具體算法邏輯的實(shí)現(xiàn)，System算法數(shù)據(jù)基于Entity里面對應(yīng)處理的ComponentData。游戲引擎每次Update的時候，System都會根據(jù)每個Entity里面的它使用的ComponentData, 來更新數(shù)據(jù)完成計算。

EntityManager:

負(fù)責(zé)Entity相關(guān)類型信息，對象實(shí)體的創(chuàng)建與管理。

Archetype:

Entity是由多個ComponentData組成的，每種Entity類型都會對應(yīng)一個Archetype, 里面描述了這個Entity類型以及相關(guān)的布局。Archetype由EntityManager創(chuàng)建出來，創(chuàng)建出來后這個類型的Entity的大小，包含的組件數(shù)據(jù)，內(nèi)存布局都確定了。

World:

世界包含多個Entity組成Entity群體，通過世界把這些Entity群體孤立起來。Unity里面可以同時擁有多個不同的世界, 每個世界獨(dú)立包含EntityManager, 與Systems, 在世界里面創(chuàng)建出來的一個Entity，只屬于這個世界。世界里每個System也只能迭代一個世界里面的Entity實(shí)體數(shù)據(jù)。你可以創(chuàng)建多個World。

總結(jié)一下Unity ECS的使用步驟與邏輯關(guān)系:

(1) 創(chuàng)建一個ECS的World;

(2) 使用World的EntityManager為不同Entity類型創(chuàng)建出來Archetype;

(3) 基于Archetype, 我們創(chuàng)建出來Entity內(nèi)存對象, 并初始化Entity里面每個ComponentData數(shù)據(jù);

(4)為ECS World編寫System算法，World會調(diào)用System算法來迭代每個Entity里的相關(guān)ComponentData;

2: ECS 高效的內(nèi)存模型與布局

作為架構(gòu)師，設(shè)計框架數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由為關(guān)鍵。特別對于游戲開發(fā)，要處理迭代成百上千個游戲物體。高效的內(nèi)存模型與布局如何實(shí)現(xiàn)? 首先要明白怎么樣布局內(nèi)存才會高效。內(nèi)存模型布局高效主要從兩個方面來考慮:

1:內(nèi)存對齊。

CPU訪問不同地址的內(nèi)存數(shù)據(jù)的時候，如果內(nèi)存地址基于2^n 數(shù)據(jù)對齊(n根據(jù)CPU而定)，訪問最為高效。例如我們以16字節(jié)數(shù)據(jù)對齊，那么對象內(nèi)存開始排布的時候, 從地址能整除16的內(nèi)存位置開始排布。高效的內(nèi)存布局，對象實(shí)例內(nèi)存地址要對齊，對象實(shí)例里面的每個數(shù)據(jù)成員內(nèi)存地址也要對齊。Entity的內(nèi)存分配與內(nèi)存布局, 在創(chuàng)建Entity的時候，ECS系統(tǒng)就會注意Entity的內(nèi)存對齊，同時也會注ComponentData在Entity里面排布的內(nèi)存對齊，如果沒有對齊，就會空一些出來。比如16字節(jié)對齊，一個ComponentData只有14個字節(jié)，實(shí)際上排布下一個ComponentData的時候是從16字節(jié)開始排布的。

2: CPU通過地址來取到內(nèi)存數(shù)據(jù)的時，數(shù)據(jù)排布一起取的速度會更快。

ECS天然就具有這種優(yōu)勢。所有的邏輯代碼迭代都是基ComponentData的，也就是算法迭代訪問處理的數(shù)據(jù)都在一起，在一個ComponentData里面。這樣訪問數(shù)據(jù)高效，避免了地址的來回跳轉(zhuǎn)。

3: Entity內(nèi)存分配器 Chunk的設(shè)計

大量的Entity的創(chuàng)建與銷毀，大量不同類型的數(shù)據(jù)對象交叉創(chuàng)建，很容易造成內(nèi)存碎片。何為內(nèi)存碎片?給大家舉個例子,對象A，對象B(100字節(jié))，對象C連續(xù)排布，對象B銷毀，內(nèi)存釋放，同時又請求分配對象D(80字節(jié))，系統(tǒng)在原來對象B的地方把一塊內(nèi)存分配給對象D，還剩了一小塊內(nèi)存(20字節(jié))。而這一小塊內(nèi)存，無法分配給當(dāng)前系統(tǒng)的任何一個對象，這樣，這小快內(nèi)存就再也無法使用了，造成內(nèi)存碎片，隨著系統(tǒng)不斷運(yùn)行，隨著更多大量的創(chuàng)建與釋放，內(nèi)存碎片越來越多，分配/釋放效率也越來越低。最終讓系統(tǒng)越來越慢。解決這種大量創(chuàng)建與銷毀，我們一般采用Cache內(nèi)存池來做。那Unity ECS架構(gòu)里面內(nèi)存池是如何設(shè)計的呢？接下來我們來分析ECS里面基于Chunk的內(nèi)存分配器。不同的Archetype,所對應(yīng)的Entity的內(nèi)存不一樣，系統(tǒng)可能有N中不同的Archetype,而且Archetype是用戶根據(jù)組件數(shù)據(jù)組合創(chuàng)建而來。

綜上Unity ECS 是這樣設(shè)計內(nèi)存分配緩存池:

(1) 基于固定大小的Chunk來做內(nèi)存緩存池。每個Chunk大小為16KB(引用來自于UnityECS 文檔)

(2) 當(dāng)Archetype 確定后，Entity的內(nèi)存大小就確定下來，每個Chunk能分配的當(dāng)前的Entity數(shù)目就能確定下來?；贏rchetype創(chuàng)建Entity的時候，首先從內(nèi)存池里面拿一個Chunk, 然后根據(jù)每個Chunk可創(chuàng)建Entity數(shù)目，從Chunk里面把Entity分配出去，如果chunk分配完畢，從chunk內(nèi)存緩存池里面再拿一個Chunk。由于基于Archetype創(chuàng)建，這個Archetype的所有Entity內(nèi)存大小都是一樣的，等釋放的時候,我們就可以基于Archetype把Entity緩存起來,重復(fù)使用之前的Entity。

對于OS而言，ECS框架基于chunk來分配和釋放內(nèi)存，避免了內(nèi)存碎片(大小都一樣)。對于ArcheType而言，又基于特定ArcheType的Entity來做內(nèi)存緩存，分配和釋放都非常高效。

看完Unity ECS的架構(gòu)設(shè)計與內(nèi)存布局，我們在其他地方做ECS架構(gòu)設(shè)計(游戲服務(wù)器)就有了一個很好的參考，設(shè)計萬變不離其中，大家可以好好體會一下。

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